单工无线通信系统.docx
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单工无线通信系统
单工无线呼叫系统（D题）
摘要：
单工无线呼叫系统分发射和接收两大部分。
发射部分采用锁相环式频率合成器技术，MC145152和MC12022芯片组成锁相环，将载波频率精确锁定在35MHz，输出载波的稳定度达到4×10-5，准确度达到3×10-5，由变容二极管V149和集成压控振荡器芯片MC1648实现对载波的调频调制；末级功放选用三极管2SC1970，使其工作在丙类放大状态，提高了放大器的效率，输出功率达到设计要求。
接收部分以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1238S为主体，灵敏度、镜像抑制、信噪比等各项性能指标均达到设计要求；音频功率放大器采用集成芯片LM386，电压放大倍数最大为200。
音频输入和数据输入可自动转换；AT89S52作为整个系统的控制部分，程序设计采用C语言在KEIL51的编译器上编程实现；显示采用128×64点阵型液晶显示。
经测试，整机功能齐全，各项性能指标符合系统要求，接收波形稳定，无明显失真。
关键词：
锁相环、压控振荡器、灵敏度
simplexwireless-callingsystem
Abstract:
Thesimplexwireless-callingsystemconsistsoftwoparts:
transmitpartandreceivepart.Thetransmitpartadoptsthephase-lockedlooppatternoffrequencysynthesizingtechnologyandusestheMC145152andMC12022chipstocomposethephase-lockedloop.Itlocksthefrequencyofthecarrier-waveat35MHz.Thestabilizationofthecarrier-wavecanbe4×10-5,theaccuracycanbe3×10-5.Thefrequencymodulationandtheconfectionofthecarrier-wavearerealizedbythecapacity-changingdiodeV149andtheintegrationvoltage-controloscillatorMC1648chip.Theendpoweramplifierusestheaudion2SC1970tomakeitworkinthethirdmagnifyingstate,itimprovestheefficiencyofthemagnifierandthepoweroftheoutputreachesthedesigndemand.ThereceivepartusesthesupercosmicallyAM/FMdimensionalsoundstereoradioreceptionintegrationchipCXA1238Sasthemainpart.Thesensitivity、themirror-controlrestrain、theSNRandeverycapabilityindexallreachthedesigndemand.TheaudiofrequencypoweramplifieradoptstheintegrationchipLM386.Themaximumvoltageamplifyingmultipleis200..Theinputoftheaudiofrequencyandthedatacanbeautomaticallytransformed.AT89S52isusedasthecontrollingpartofthewholesystem.ThedesignoftheprogramadoptstheClanguagetomakeitbeprogramminglyrealizedinthetranslator.Thedisplayadopts128×64latticeLCDtoshow.Aftertested,thewholemachine’sfunctionisverycomplete,everydemandcanberealized,thereceivingwaveisstable,withoutevidentdistortion.
Keyword:
PLL、VCO、Sensitivity
1、系统设计1
1.1总体设计方案1
1.1.1设计思路2
1.1.2方案论证与比较3
1.1.3系统组成3
2、核心单元硬件电路设计4
2.1发射部分电路的设计4
2.1.1压控振荡器的设计4
2.1.2锁相环电路设计7
2.1.3功率放大电路设计9
2.2接收部分电路的设计9
2.2.1CXA1238S芯片9
2.2.2高放选频回路11
2.2.3中频窄带滤波器12
2.2.4音频功率放大器12
3、软件设计13
3.1软件设计思路13
3.2发射部分程序设计14
3.3接收部分程序设计15
4、测试结果
4.116
4.217
参考文献17
1.方案设计
1.1总体设计方案
1.1.1设计思路
题目要求设计一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。
设计分发射和接收两大模块，方框图如图1.1.1所示。
发射部分采用数字频率合成技术，由变容二极管和集成压控振荡器芯片实现振荡频率的电压控制及对载波的调频调制；加入由频率合成芯片、高速分频器、运算放大器和晶体振荡器等组成的数字锁相环路，使输出频率稳定度达到与参考晶振同等水平；收音电路以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片为主体，用一个固定的电压值控制振荡器的振荡频率，使其接收频率与发射频率对应。
采用编码解码电路实现题目所要求的一点对多点、主站具有拨号选呼和群呼功能以及数据传输业务的功能；显示部分利用液晶显示模块，显示呼叫方式、业务类型以及英文短信内容。
为了尽量增加传输距离和降低系统的波形失真，必须采取有效的措施。
图1.1.1系统基本框图
1.1.2方案论证与比较
（1）调制体制的方案论证与选择
采用调频体制2FSK。
它由三部分组成，即频率合成器、音频处理器和FM波的缓冲放大器。
频率合成器的作用是产生一个振荡频率稳定度极高的FM信号，它是调制器的核心部件；音频处理器的作用是将各种各样的音频信号经过处理后，变成输出阻抗和电平基本一样的信号，再将这些信号加至压控振荡器的变容二极管上；射频缓冲放大器起缓冲、放大、匹配和滤波的作用。
调频系统与调幅系统相比，具有较强的抗干扰能力。
故本系统采用调频体制，数据收发也采用2FSK方案。
（2）载波信号产生电路的设计方案论证与选择
采用PLL频率合成。
用MC145152和VCO电路进行频率合成，采用闭环控制。
故存在反馈，能得到精度和稳定度很高的频率信号，本题目要求发射频率在30MHz~40MHz之间，选定35MHz作为载波信号。
原理框图如图1.1.2所示。
图1.1.2频率合成原理框图
载波信号发生器是主机发射部分的重要组成部分，应能产生等幅高频正弦信号，其振荡频率应十分稳定。
采用PLL频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度，可达10-5～10-6；且失真度很小。
（3）接收模块的设计方案论证与选择
采用CXA1238作为接收机电路的核心IC。
CXA1238是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。
它的电源电压适应范围宽：
2～10V范围内电路均能正常工作，且具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能等。
（5）自动控制模块的设计方案论证与选择
单工无线呼叫系统的自动控制部分直接关系到系统“智能化”与“自动化”的实现，其控制方案的拟定，考虑了以下两个方面。
发射和接收的控制方框图分别如图1.1.3和图1.1.4所示。
图1.1.3发射部分控制方框图
图1.1.4接收部分控制方框图
采用基于单片机技术的控制方案。
相对于FPGA的并行处理方式，单片机是通过对程序语句的顺序执行来建立与外部设备的通信和完成其内部运算处理，从而实现对信号的采集、处理和输出控制。
它最主要的特点是其串行处理特性。
1.1.3系统组成
系统主要分为发射和接收两大模块，经过方案比较与论证，发射和接收部分的组成框图分别如图1.1.5和图1.1.6所示。
其中发射部分的集成电路MC1648、MC145152、MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器、音频处理器、数据编码器、单片机进行数据处理、按键处理、LCD驱动。
接收部分由收音模块、音频输出模块、数据接收模块以及控制模块四大部分组成，单片机起控制作用。
由于电路中既有数字电路又有高频电路，需将高频地和数字地分开以及高频电路用金属屏蔽隔离，以减小交叉调制等干扰。
图1.1.5发射部分组成框图
图1.1.6接收部分组成框图
2.核心单元硬件电路设计
2.1发射部分电路的设计
2.1.1压控振荡器的设计
压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐振回路构成。
MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。
为达到最佳工作性能，在工作频率时要求并联谐振回路的QL≥100。
电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35MHz。
图2.1.1为压控振荡器电路图。
图2.1.2为MC1648的内部电路图。
图2.1.1压控振荡器电路图
图2.1.2MC1648内部电路图
压控振荡电路由芯片内部的VT8、VT5、VT4、VT1、VT7和VT6，10脚和12脚外接LC谐振回路（含V149）组成正反馈（反相720°）的正弦振荡电路。
其振荡频率由式2.1.1计算。
（2.1.1）
其中
，即
VCO的芯片管脚3为缓冲输出，一路供前置分频器MC12022，一路供放大后输出。
该芯片的5脚是自动增益控制电路（AGC）的反馈端。
将功率放大器输出的电压Vout1通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定，由于本设计的频率固定在35MHz，且其反馈幅度不大，因此5脚直接接地。
VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。
CVD的大小受所加偏置电压U控制，它们之间的关系可由图2.1.3所示电路测出。
方法为：
从扫频仪输入0～300MHz的扫频信号，同时用扫频仪检测该电路的谐振频率。
调节电位器Rp3使变容二极管的偏压以0.5V为间隔从1V～10V变化，从扫频仪观测电路的谐振点频率并记录下来。
由于Cj是全部接入谐振回路，为减少波形非线性失真，取变容二极管电容变化指数r=2。
根据式2.1.1，利用Matlab计算出频率与容量的关系，进而得到偏置电压与容量关系曲线，如图2.1.4所示。
Rp3
图2.1.3变容二极管特性测定电路
图2.1.4变容二极管特性曲线
从CVD/U曲线上易见，偏置电压取值3.5V～7.5V时，CVD的变化近似线性，从25pF~18pF。
又fc为35MHz，根据式2.1.1，有：
取CVD=20pF，fc=35MHz，得L=1.04μH。
因此，取L=1.04μH可满足要求。
2.1.2锁相环电路设计
压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。
因此可以加入自动相位控制环节，即锁相环，来稳定发射频率。
发射频率经反馈，与晶振产生的标准信号做比较，在锁相环的跟踪下，发射频率始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与参考晶振同样的稳定度。
锁相环电路MC145152是大规模集成锁相环，集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体，分频器的分频系数可由并行输入的数据控制，其内部框图如图2.1.5所示。
图2.1.5MC145152内部框图
（1）参考分频
参考晶振从OSCin、OSCout接入，芯片内部的÷R参考分频器提供8种不同的分频系数，对参考信号进行分频。
R值由RA0，RA1，RA2设定，如表2.1.1所示。
本设计中，参考晶振为10.24MHz，所以取RA0RA1RA2＝101时，即R＝1024，对晶振频率进行1024分频。
表2.1.1MC145152参考分频器分频系数选择表
RA2
0
0
0
0
1
1
1
1
RA1
0
0
1
1
0
0
1
1
RA0
0
1
0
1
0
1
0
1
R
8
64
128
256
512
1024
1160
2048
（2）可编程分频
由于发射部分的频率高达35MHz，MC145152的电路无法对其直接分频，必须先用ECL电路的高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由MC145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，并进行鉴相。
为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，它由ECL（非饱和型逻辑电路）的高速分频器MC12022及MC145152内部的÷A减法计数器，÷N减法计数器构成。
如图2.1.6所示。
图2.1.6吞咽脉冲计数器原理图
MC12022有64和65两种分频系数。
M为其控制端（从MC145152的9脚输出，输入MC12022的6脚）。
M为低电平时，MC12022以P＋1＝65为分频系数，M为高电平时则以P＝64为分频系数。
÷N和÷A是可预置数的减法计数器，由并行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。
PD为数字鉴相器。
fo为压控振荡的输出频率（即发射频率）。
吞咽脉冲计数器开始计数时，M的初值为0，÷A和÷N两个计数器被置入预置数并同时计数，当计到A（P+1）个输入脉冲（fo）时，÷A计数器计完A个预置数，M变为1；此时÷A计数器被控制信号关闭，停止计数；而÷N计数器中还有N－A个数，它继续计（N－A）P个输入脉冲后，输出一个脉冲到鉴相器PD。
此时一个工作周期结束，Ａ和N值被重新写入两个减法计数器，M又变为1，接着重复以上过程。
整个过程中输入的脉冲数共有Q＝A（P＋1）+（N-A）P=PN+A，也就是说，该吞咽脉冲计数器的总分频系数为PN+A。
可见，采用吞咽脉冲计数方式，只要适当选取N值与A值，就能得到任意的分频比。
为实现锁相，必须有fo/（PN+A）=fr。
反过来，由于fo＝fr×（PN+A），改变N和A的值，也能改变fo，这就是输出频率数字化控制的原理。
÷A计数器为6位，因此A值最大为63，MC12022的P值为64。
如果参考频率fr＝10kHz，则输出频率
fo＝（PN＋A）fr＝（64N＋A）×10kHz。
本设计中，要使发射频率为35MHz。
先令A＝0，则
N＝（fo/fr－A）/P=（35×106/10×103）/64=54.69。
取N＝54＝110110B，
进而
A＝（fo/fr）－PN=（35×106/10×103）－64×54＝44＝101100B。
由此可得，即给MC145152的N9～N0和A5～A0口预置相应的数值，这就实现了对发射频率的控制。
（3）鉴相
模拟鉴相器对输入其中的两个信号进行相位比较，一个是由稳定度很高的标准晶振经过分频得到的，另一个是由压控振输出频率经分频反馈回来的，这两个信号通过鉴相器，也就是经过一个模拟乘法器后得到一个相位误差信号。
设两个输入信号分别为：
其中
将两信号相乘得到
再经过一个低通滤波器，取出其中的误差信号
，滤去其高频成分，将其直流成分用来调整压控振的输出频率。
2.1.3功率放大电路设计
电路如图2.1.7所示。
功放管为2SC1970，采用感性负载，输出幅度较大。
丙类功放的基极电压-VEE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的。
当放大器的输入信号υt为正弦波时，集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。
利用谐振回路L2C2的选频作用获得输出基波电压υc1、电流ic1。
集电极基波电压
式中，Ic1m为集电极基波电流的振幅；RC为集电极
负载阻抗。
集电极输出功率
直流电源VCC供给的直流功率图2.1.7功率激励电路
集电极的效率
考虑到效率和功率，选择导通角θ为经验值70°。
当功放工作在临界状态时对应的等效负载电阻
2.2接收部分电路的设计
2.2.1CXA1238S芯片
收音部分是以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1238S为主体，配合一些外围电路实现的。
CXA1238S是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。
CXA1238S的电源电压适应范围宽，2～10V范围内电路均能正常工作；它具有立体声指示LED驱动电路以及FM静噪功能等等。
其内部结构原理图如下图2.2.1所示。
天线接收到的信号经过87～108MHz的带通滤波器，由18脚（FM天线输入）进入芯片内部，通过选频网络将选出的电台信号送入芯片内部的FM前置放大器，进行前置放大后与本振进行混10.7M陶瓷滤波器频，得到10.7MHz的中频频率。
22脚外接的VD1、VD2、C8、C9、C10、VC1、L1等元件是FM本振调谐回路。
20脚外接的VD3、VD4、C11、C12、C13、VC2、L2等元件是FM高放调谐回路（调谐回路通过调整回路的LC参数，使LC谐振频率与需要接收的电台频率相同，对该频率呈高阻抗，使它能够进入高放级，对其它频率呈低阻抗近似短路，不能进入高放级，从而达到选择电台的目的。
）。
10.7MHz中频频率由16脚输出，然后接到10.7MHz的陶瓷滤波器上。
经过了陶瓷滤波器的信号已经被滤除了带外杂波，由13脚的中频输入端引入。
在芯片内部进行中频放大和鉴频。
鉴频后的信号分为两路，一路由12脚驱动调谐指示电路，外接发光二级管D2（当接收信号最大时，LED显示最亮）；另一路由IC内的直流放大器放大后进行自动混合和FM静噪（调频接收机中大多采用鉴频器解调，鉴频器输出噪声的功率谱呈抛物线分布，随着输出频率增加而平方地增大。
因此，在无输入有用信号时，鉴频器解调输出幅度较大的噪声。
这些噪声经音频放大器放大后，输出很大的“哗”噪声。
为去除这些噪声，传输语音的调频接收机中，不得不加入静噪电路，在没有输入信号或者输入信号很弱时，静噪系统关断音频输出，保持耳机安静。
一个可靠的静噪系统对于FM接收机来说，具有重要的意义。
）。
经检波后的立体声复合信号（或单声道信号），由IC内直流放大器放大、滤波后变换成AFC控制电压、由10脚输出并通过一个100KΩ的电阻反馈至23脚，用于抑制内接变容二极管的等效电容，以达到修正FM本振频率，进行频率跟踪的目的。
立体声复合信号经放大后，分别送到IC鉴相器1、压控振荡器（VCO）和分频器组成锁相环路。
内的立体声解调器、鉴相器1和鉴相器2。
VCO产生的76KHz振荡信号，经过二分频后变成38KHz的立体声解调开关信号，送至解调放大器。
再经过二分频，并移相90后的19KHz信号与复合信号中的19KHz导频信号在鉴相器1中进行相位比较，并输出一个误差电压，由外接低通滤波器R1、C3、C5滤除高频成分后，控制VCO的振荡频率和相位，达到环路锁定。
VCO的自由振荡频率可以通过27脚外接微调电位器RP1调整，从而调整跟踪导频信号的捕捉范围。
C1为去耦电容。
（调频立体声发射机频偏与导频信号的关系在导频制调频立体声广播中,19kHz导频信号的有无与大小直接关系到立体声播出的效果与质量。
对立体声接收机来讲,收到19kHz导频信号就意味着所收到信号是调频立体声广播信号,否则就是调频单声道广播信号。
也就是说,19kHz导频信号的存在与否是调频立体声与调频单声道广播的分水岭。
它是AM-FM导频制立体声信号的重要组成部分。
）
鉴相器2的作用是检出立体声/单声道开关控制信号。
当分频后的19KHz信号和输入导频信号频率相同，相位差最小时，输出正电压最大，经低通滤波器滤波（2、3脚外接电容C7）和直流放大后打开“立体声/单声道”开关，并且驱动4脚外接立体声指示（发光二极管D1）。
最后把解调、放大后的立体声信号分左、右两路分别从两个声道的输出口（5、6脚）输出。
信号通过去加重网络进行去加重处理后，送到用于音量调节的数字电位器X9511，经过音频放大后，进而驱动扬声器发声。
由于本系统没有涉及到调幅，所以芯片中的14脚（AM中频输入）、15脚（波段选择）、19脚（AM天线输入）和24脚（AM本振）均接电容到地。
图2.2.1CXA1238内部结构方框图
2.2.2高放选频回路
输入选频回路，简称输入回路，它的作用是从空间的各种无线电波中选出所接收频段的信号，并完成天线与高频放大器之间的匹配，使所接收的信号得到最大能量的传播。
本设计要求接收部分所接收的频率值为35MHz，输入选频回路电路原理图如图2.2.4所示。
在CXA1238S的20脚接上一个LC槽路，调节可变电容的值得到所需要的频率。
如图中所示，其频率由式2.2.2计算。
（2.2.2）
取C1=20pF，L=0.59μH，又f=35MHz，C2max=20pF，得到可调电容值：
C2=5~20pF
图2.2.2选频回路电路原理图
2.2.3中频窄带滤波器
本设计中使用的是三端陶瓷滤波器。
在锆钛酸铝陶瓷片的一个面上被覆两个银层作输入和输出的电极，另一面被覆一块银层作公共电极，经直流高压极化后，具有压电效应。
若将交流电压加在陶瓷片的输入端上，陶瓷片将做相应的机械振动。
这种机械振动能产生交流电势，从另一端子输出。
一定的片子形状大小，具有一个固有机械振动频率。
如果外加交流电压的频率等于陶瓷片的固有机械振动频率时，压电效应最强，输出最大，其它频率则传输系数减小。
因此其作用和谐振回路相同，具有滤波特性。
它的体积小巧，谐振频率稳定，接入电路后不需要再作调整，而且选择性好。
其衰耗特性曲线如下图2.2.5所示：
图2.2.310.7MHz陶瓷滤波器衰耗特性曲线
陶瓷滤波器的基本形状决定了它的谐振频率。
用于调频中频10.7MHz用的陶瓷片大约为6×7mm左右，厚0.2mm左右。
陶瓷滤波器矩形系数好，故应接在混频级上，它可以先将干扰信号滤掉，提高双信号选择性。
同时陶瓷滤波器相当于集中滤波器，使后级可少用调谐中放，改用直接耦合放大。
陶瓷滤波器本身不需要调节，使调频中放调解容易得多。
2.2.4音频功率放大器
前置放大器的输出功率很小，推动不了扬声器，因此对前置放大器的输出信号还要进行功率放大，以得到足够的不失真输出功率。
本设计中音频功率放大器采用集成芯片LM386。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器。
为使外围元件最少，电压增益内置为20，但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
在
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